从DNA合成技术角度阐述合成生物学

合成生物学是一个拥有巨大潜力的新兴学科,合成生物学技术的发展将会对未来生物、医药、农业、能源、材料和环保等方面产生巨大的推进作用。基因合成是合成生物学中最基本和使用最多的一种技术手段,合成生物学的快速发展对基因合成能力提出了空前需求。综述基因合成技术的发展历史、现状和未来趋势,探讨基因合成技术存合成生物学以及整个生命科学研究中的应用和重要意义。     

合成生物学技术的研究进展——DNA合成、组装与基因组编辑

合成生物学作为一门新兴学科,其目标主要有两点:一是利用非天然的分子使其出现生命的现象,也就是―人造生命‖;二是―改造生命‖,比如利用一种生命体的元件(或经过人工改造),组装到另一个生命体中,使其产生特定功能。无论是哪种目的,对生命遗传物质DNA的操作都非常关键,其具体包括DNA的从头合成、组装和编辑等。同时,这些使能技术的进步也促进了合成生物学其他领域的发展。本文介绍了DNA操作相关的合成生物学使能技术的最新进展。     

原位DNA合成技术

原位ＤＮＡ合成技术李子银,胡会庆（华中农业大学农学系,武汉４３００７０）关键词原位ＤＮＡ合成自六十年代放射标记探针应用于原位分子杂交技术后,人们就可以对特异的核苷酸在原位进行检测,然而,直到八十年代由于非放射性标记探针的使用,原位分子杂交技术才得到了...     

合成生物学中的DNA组装技术

合成生物学旨在应用工程学的研究思路及手段去设计或改造生物系统,是一个综合了科学与工程的拥有发展潜力的新兴学科,在生物医药、农业、能源、环保等方面发挥着巨大作用。DNA组装技术是合成生物学中的关键技术,也是合成生物学快速发展的限制性技术。综述了众多DNA组装技术的发展及其在合成生物学研究中的意义和应用。     

DNA芯片技术及应用

DNA芯片技术是随着人类基因组计划的实施发展起来的一项高新技术。本文介绍了DNA芯片的基本原理,并对近年来DNA芯片技术的应用进行了综述。     

基因合成技术研究进展

基因合成是生物学中一项最基本的、最常用的技术.对DNA调控元件、基因、途径乃至整个基因组的合成是验证生物学假设和利用生物学为人类服务的有力工具.合成生物学的快速发展对基因合成能力提出了日益迫切的需求.近年来,基于微芯片基因合成技术取得了很多令人振奋的新进展,正在向着高通量、高保真、自动化的方向发展.文中综述了DNA化学合成和基因组装及相关技术的最新研究进展和发展趋势,这些新技术正在推动着合成生物学向着更高的水平发展.     

DNA组装技术

DNA组装是合成生物学研究的核心技术。随着合成生物学的发展,研究者开发了依赖于DNA聚合酶或DNA连接酶的不同DNA组装技术;为了降低组装成本和便于实现DNA组装的自动化,也发展了一些非酶依赖的DNA组装技术;而几百kb到Mb的大片段DNA的组装则多数依赖于微生物体内重组。文中主要综述了酶依赖、非酶依赖和体内同源重组三类DNA组装技术及其发展情况。     

DNA拼接技术研究进展

基因组合成是合成生物学的一个重要环节,其发展将会对未来的生物、医药、农业、能源等方面的发展产生巨大的推动作用,同时DNA拼接作为基因组合成所需要的一种关键技术也日臻完备。回顾了多种DNA拼接技术,并对其中最具发展潜力的几种方法作了综述,探讨不同DNA拼接技术的原理和特点。     

合成生物学

近年来用化学合成的手段合成生物物质的研究进展很快。有感染活力的小儿麻痹症病毒RNA与φX-174噬菌体基因先后合成成功。估计2006年可能会有能合成1百万bp DNA的仪器问世。此外,目前已能向蛋白质中引入80种非常见氨基酸,从而使蛋白质获得新的性质。化学合成的进展使合成与改造生命成为现实,这对研究生物学基本规律有很大的意义,但这也是一把“双刃剑”,带来伦理与反恐的问题及对可能的潜在威胁的担忧。2004年6月在美国麻省理工学院举行了第一届合成生物学国际会议。2005年8月在美国旧金山举行的合成生物学会议,讨论了生物合成这个领域对药物发展、细胞重编程、生物机器人等方面的潜在意义。     

The synthesis of artificial genome as the basis of synthetic biology

Recent achievements in the whole-genome sequencing especially viral and bacterial ones together with the development of methods of bioinformatics and molecular biology, have created preconditions for transition from synthesis of genes to assembly of the whole genomes based on chemically synthesized blocks, oligonucleotides. The creation of artificial genomes and artificial cells will undoubtedly render huge influence on a deepening of knowledge on mechanisms of functioning of living systems at a cellular level, on a way of origin and evolution of life, and also on biotechnology of the future, and will generate preconditions for the further development of synthetic biology and nanobiotechnology.     

催化元件和途径的人工设计与组装

催化元件以及由多个催化元件组成的合成途径的设计与组装为人工合成体系的建立奠定了基础,是合成生物学的重要研究内容。除从自然生物中挖掘大量的天然酶和途径可供人工合成体系使用外,将计算生物学、蛋白质工程以及组合生物合成等技术相结合,理性地、有目的地进行催化元件和途径的人工设计与组装,将提供新功能酶以及新物质合成途径。介绍了催化元件和合成途径人工设计与组装的研究策略和最新进展。     

Hierarchical gene synthesis using DNA microchip oligonucleotides

High-cost of oligonucleotides is one of the major problems to low-cost gene synthesis. Although DNA oligonucleotides from cleavable DNA microchips has been adopted for the low-cost gene synthesis, construction of DNA molecules larger than 1 kb has been largely hampered due to the difficulties of DNA assembly associated with the negligible quantity of chip oligonucleotides. Here we report a hierarchical method for the synthesis of large genes using oligonucleotides from programmable DNA microchips. Using this hierarchical method, we successfully synthesized 1056 bp Dpo4 and 2325 bp Pfu DNA polymerase genes as models. This hierarchical strategy can be further expanded for the syntheses of multiple large genes in a scalable manner.     

Recursive construction of perfect DNA molecules from imperfect oligonucleotides

Making faultless complex objects from potentially faulty building blocks is a fundamental challenge in computer engineering, nanotechnology and synthetic biology. Here, we show for the first time how recursion can be used to address this challenge and demonstrate a recursive procedure that constructs error‐free DNA molecules and their libraries from error‐prone oligonucleotides. Divide and Conquer (D&C), the quintessential recursive problem‐solving technique, is applied in silico to divide the target DNA sequence into overlapping oligonucleotides short enough to be synthesized directly, albeit with errors; error‐prone oligonucleotides are recursively combined in vitro, forming error‐prone DNA molecules; error‐free fragments of these molecules are then identified, extracted and used as new, typically longer and more accurate, inputs to another iteration of the recursive construction procedure; the entire process repeats until an error‐free target molecule is formed. Our recursive construction procedure surpasses existing methods for de novo DNA synthesis in speed, precision, amenability to automation, ease of combining synthetic and natural DNA fragments, and ability to construct designer DNA libraries. It thus provides a novel and robust foundation for the design and construction of synthetic biological molecules and organisms.     

De novo DNA synthesis by human DNA polymerase lambda, DNA polymerase mu and terminal deoxyribonucleotidyl transferase

DNA polymerases (pols) catalyse the synthesis of DNA. This reaction requires a primer-template DNA in order to grow from the 3'OH end of the primer along the template. On the other hand terminal deoxyribonucleotidyl transferase (TdT) catalyses the addition of nucleotides at the 3'OH end of a DNA strand, without the need of a template. Pol lambda and pol micro are ubiquitous enzymes, possess both DNA polymerase and terminal deoxyribonucleotidyl transferase activities and belong to pol X family, together with pol beta and TdT. Here we show that pol lambda, pol micro and TdT, all possess the ability to synthesise in vitro short fragments of DNA in the absence of a primer-template or even a primer or a template in the reaction. The DNA synthesised de novo by pol lambda, pol micro and TdT appears to have an unusual structure. Furthermore we found that the amino acid Phe506 of pol lambda is essential for the de novo synthesis. This novel catalytic activity might be related to the proposed functions of these three pol X family members in DNA repair and DNA recombination.     

2017合成生物学专刊序言

近10年来,合成生物学的发展受到广泛关注。为了集中报道本领域的最新研究进展,特组织出版了此合成生物学专刊。本专刊分3个栏目:科学意义、新技术新方法和应用领域,重点介绍了合成生物学的科学内涵、技术方法进步及合成生物学在医学、药物、农业、材料、环境和能源等领域的应用前景。